徐家旭，張韶偉

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

1 壓縮機出口冷卻器基本情況

某石化公司壓縮機出口冷卻器浮頭螺栓在運行期間發(fā)生斷裂。其工作介質氣為火炬氣，成分復雜、硫化氫含量高。運行時殼程入口溫度約為75℃、出口溫度約為36℃，運行壓力約為0.7 MPa，斷裂的5根螺栓為冷卻器的浮頭螺栓。

2 斷裂螺栓檢測分析

2.1 宏觀檢驗

兩根斷裂的螺栓宏觀形貌見圖1。A斷裂位置在螺紋根部，距離端頭65 mm左右。B斷裂位置在螺紋中部，距離端頭35 mm左右。兩根螺栓的斷裂位置附近沒有明顯的塑性變形，為脆性開裂，斷口與螺栓軸線大約呈45°。螺栓長度為180 mm，直徑分別為19.9 mm和20.3 mm。螺紋表面有較厚的棕紅色銹層。

圖1 斷裂失效的螺栓

螺栓斷口表面有較厚的棕紅色銹層，說明螺栓斷裂已經很長時間了。斷口表面有明顯的條紋，斷裂面與螺栓軸向呈一定的角度。對螺栓斷口表面先后用鹽酸和丙酮超聲波清洗，斷口呈黑色，見圖2。由圖2可見，斷口具有顯著的一次過載斷裂的特征。斷口表面有纖維區(qū)，放射條紋區(qū)和剪切唇區(qū)。三個區(qū)域呈一定弧狀分布，判斷是一次扭轉斷裂。纖維區(qū)是裂紋源區(qū)，放射條紋區(qū)是裂紋快速擴展區(qū)，剪切唇區(qū)是最后斷裂區(qū)。裂紋沿著纖維區(qū)-放射條紋區(qū)-剪切唇區(qū)的方向擴展。

圖2 清洗后的斷口表面

2.2 材質分析

螺栓A和螺栓B的化學成分分析結果分別見表1和表2。由表1和表2可以確定，螺栓的材質為35CrMo，而35CrMo是合金結構鋼中的調質鋼。標準GB/T 3077—1999中化學成分（質量分數）規(guī)定：C為0.32% ～0.40%，Si為0.17% ～0.37%，Mn為0.40% ～0.70%，S≤0.035%，P≤0.035%，Cr為0.80% ～1.10%，Ni≤0.30%，Cu≤0.30%，Mo為0.15% ～0.25%。

表1 螺栓A的化學成分分析結果 w，%

表2 螺栓B的化學成分分析結果 w，%

2.3 非金屬夾雜物及金相組織分析

2.3.1 非金屬夾雜物檢測

在斷裂失效的螺栓上，分別取橫截面和沿著螺栓軸線的剖面，進行非金屬夾雜物的檢驗和金相檢驗，試樣見圖3。將試樣打磨拋光，在放大40倍的顯微鏡下進行觀察，結果見圖4。由圖4可見，在螺栓的截面上存在著大量的球狀非金屬夾雜物。根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準圖顯微檢驗法》可以確定，其為球狀氧化物，評定級別為2.5級。氧化物主要分布在橫截面的中心部位，在邊緣分布略少。

圖3 金相檢驗試樣

圖4 非金屬夾雜物分析

2.3.2 螺栓截面的金相組織分析

將用4%硝酸乙醇溶液對金相試樣進行浸蝕，觀察金相組織，結果見圖5。螺栓橫截面的金相組織為具有馬氏體位向的回火索氏體組織，說明螺栓是經過淬火和高溫回火熱處理的。馬氏體是35CrMo鋼的淬火組織。馬氏體中的板條較長，說明淬火加熱時，加熱溫度過高，使奧氏體的晶粒變得粗大。由圖5還可以看到有少量的羽毛狀的貝氏體形貌，說明螺栓在淬火冷卻時，冷卻速度較慢或在空氣中停留的時間較長，致使螺栓中心部位沒有全部淬透，出現了少量的上貝氏體和托氏體組織。

圖5 螺栓橫截面的金相組織

2.4 螺栓表面腐蝕檢驗

2.4.1 螺紋剖面的顯微鏡觀察

將螺栓沿軸線剖開，見圖3（b）。用金相顯微鏡觀察剖面中螺紋表面的微觀形貌，見圖6。從圖6可見，螺紋齒尖處呈現出凹凸不平的形貌，其產生的原因可能是腐蝕，或是磨損，或是腐蝕和磨損共同作用的結果，但齒尖處的凹坑比較淺，為100μm左右，且沒有向內部發(fā)展的跡象。齒根部大部分都比較光滑沒有凹凸不平。

圖6 螺紋表面的金相組織

2.4.2 螺栓表面銹層的XRD分析

將螺栓表面銹層刮取，研成粉末，進行XRD分析，結果見圖7。由圖7可知，螺栓表面銹層主要含有氧化物及硫化物，說明環(huán)境介質對螺栓有一定的腐蝕作用。

圖7 螺栓表面銹層的XRD分析

2.5 力學性能測試

2.5.1 硬度檢測

用便攜式里氏硬度計對螺栓截面及表面進行硬度檢測。檢測試樣及位置如圖8所示。由圖8可知：（a）為截面中心，（b）為截面邊緣，（c）為外表面。檢測結果見表3。截面邊緣和外表面的平均硬度分別是214 HB和220 HB。與35CrMo鋼調質狀態(tài)的硬度（HBS≤229 HB）進行比較，外表面和截面邊緣的硬度符合要求。截面中心的硬度較高，平均硬度為257 HB。說明在熱處理淬火過程中，中心部位淬火沒有淬透，呈正火狀態(tài)。35CrMo鋼的正常正火狀態(tài)硬度為241～286 HB。

圖8 螺栓硬度檢測試樣

表3 布氏硬度 HB

2.5.2 扭轉試驗

為了了解扭轉斷口的宏觀形貌特點，將斷裂螺栓截取一段，在外表面加工成一個溝槽模擬螺紋，然后用活扳手對其進行扭轉，從而得到扭轉斷裂斷口的宏觀形貌，見圖9。由圖9可見：扭轉斷裂斷口其斷裂面與螺栓軸線垂直，判斷為剪切斷裂。斷口周圍沒有明顯的宏觀塑性變形，斷口有圍繞中心的弧線。扭轉試驗發(fā)現，斷裂速度很快。加工的扭轉試樣直徑在10 mm左右，一人用活扳手能夠將其扭斷，說明螺栓抗扭轉斷裂的能力較低。

圖9 扭轉斷裂斷口的宏觀形貌

由于扭轉試驗和實際使用中的螺栓所處的應力狀態(tài)不同，所以，斷裂的方式有所不同。實際使用中的螺栓，在緊固過程中，除了受到扭力之外同時還受到沿著軸線方向的拉應力作用，所以，斷裂的方式及斷口的方向有所不同。

2.6 掃描電鏡分析

2.6.1 掃描電鏡非金屬夾雜物分析

用掃描電鏡觀察圖3（b）試樣的表面。掃描電鏡的景深大、放大倍數高，觀察組織形貌和非金屬夾雜物更清晰，圖10是螺栓剖面組織及非金屬夾雜物的掃描電鏡形貌。

圖10（a）是螺紋齒根部的組織形貌，齒根表面沒有被腐蝕，組織為馬氏體位向的回火索氏體。圖10（b）（c）（d）是非金屬夾雜物的掃描電鏡形貌，非金屬夾雜物呈球形，分布密集，夾雜物與基體呈分離狀態(tài)。圖10（e）（f）是螺紋齒尖部位的掃面電鏡形貌，可以看到有自表面向內部的腐蝕溝槽，但腐蝕溝槽較淺。

2.6.2 掃描電鏡斷口形貌分析

用掃描電鏡觀察圖2的試樣斷口表面，結果見圖11。

圖11 螺栓剖面的掃描電鏡組織形貌

圖11（a）是放射條紋區(qū)的掃描電鏡形貌，在斷口表面有圓形空洞，說明非金屬夾雜物使螺栓的斷裂強度降低，是螺栓斷裂的主要原因之一。進一步放大可以看到斷口表面有很多二次裂紋，見圖11（b）。圖11（c）可以看到斷口呈準解理斷裂的形貌，是不同晶面處的多條裂紋相互連接產生的撕裂斷口。圖11（d）（e）（f）呈沿晶斷裂斷口的組織形貌特征，是回火脆性斷裂斷口。其原因是淬火后，高溫回火時，由于緩慢冷卻，使得低熔點的雜質元素錫、磷、硫、砷等向晶界偏聚，降低了晶界的強度和韌性而產生沿晶斷裂。圖11（g）（h）是斷口邊緣處的形貌，可以看到有二次裂紋，也有金屬顆粒剝落的痕跡。

2.7 掃描電鏡能譜微區(qū)成分分析

2.7.1 斷口表面的能譜分析

掃描電鏡斷口表面能譜分析試驗結果見圖12。合金元素Mo的作用是能夠與雜質元素相互作用，能夠抑制回火脆性。由圖12可以看出，斷口表面合金元素Mo流失。說明合金失去了Mo對回火脆性的抑制作用。

圖12 掃描電鏡斷口表面能譜分析

2.7.2 非金屬夾雜物的能譜分析

掃描電鏡非金屬夾雜物能譜分析結果見圖13。由圖13可知：非金屬夾雜物中，主要含氧、鐵、鉻、鋁等。說明非金屬夾雜物是氧化鐵、氧化鉻、氧化鋁等。鋼中氧化夾雜物是鋼冶煉過程中脫氧不充分形成的，其存在割裂了基體，使鋼的強度、塑性、韌性及抗疲勞性能下降。

圖13 非金屬夾雜物能譜分析

3 分析與討論

（1）宏觀斷口形貌分析結果表明：螺栓斷裂為扭轉一次性過載斷裂，斷裂為脆性開裂，斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形。斷口與扭轉最大切應力呈45°，屬于正斷斷裂。由于使用過程中有預緊力的作用，緊固時，其應力狀態(tài)軟性系數較小，所以呈正斷、脆性斷裂。斷裂是在預緊力和扭轉力共同作用下產生的。

（2）光譜化學成分分析表明：螺栓的材質為35CrMo，其化學成分符合GB/T 3077—1999的規(guī)定要求。

（3）在螺栓的內部存在大量的非金屬夾雜物。經過金相顯微鏡檢驗和掃描電鏡觀察及能譜成分分析確定為球形氧化物，評定級別為2.5級。夾雜的氧化物是鋼在冶煉過程中脫氧不充分等形成的，其在鋼中存在，割裂了基體，使鋼的強度、塑性、韌性及抗疲勞性能下降。

（4）金相組織檢驗表明：螺栓表面的金相組織是馬氏體位向的回火索氏體，內部含有非馬氏體組織。說明螺栓在熱處理過程中，淬火加熱溫度較高，淬火冷卻速度較慢。非馬氏體組織和過熱組織會使螺栓的韌性下降。

（5）由掃描電鏡斷口形貌觀察可知，斷口表面有氧化夾雜物孔洞，說明氧化夾雜物降低了螺栓的強度，弱化了鋼的結合力。通常，斷裂總是在缺陷處、最薄弱的地方產生。掃描電鏡斷口形貌中是沿晶斷裂斷口，沿晶斷裂斷口是高溫回火脆性斷裂斷口，其產生的原因是高溫回火中冷卻速度慢，低熔點元素向晶界偏聚降低了晶界的結合力造成的。

（6）從金相顯微鏡觀察及掃描電鏡剖面組織觀察可知，在螺紋齒尖處有腐蝕微坑，齒根部位基本沒被腐蝕。XRD分析表明螺栓表面的腐蝕產物為氧化物和硫化物。

4 結論與建議

4.1 結 論

螺栓斷裂是在緊固過程中在扭轉力和緊固應力作用下共同產生的。螺栓內部的非金屬球狀氧化物割裂了基體，從而也降低了螺栓的強度和韌性。在螺栓加工過程中，熱處理沒有嚴格按照工藝規(guī)范進行，導致組織不均勻，產生了回火脆性，降低了螺栓的強度和韌性。

4.2 建 議

緊固螺栓的生產過程包括原材料的采購、鍛造、熱處理和機械加工等一系列過程，無論哪個環(huán)節(jié)出現問題，都會對螺栓的質量產生影響。從本次螺栓失效分析中可以看出，螺栓的質量問題是斷裂失效的主要原因。其缺陷是在幾個加工過程中產生的，因此，提出以下建議：

（1）對螺栓使用的材料進行嚴格檢驗。除對化學成分和力學性能進行檢驗外，還要對其內部的宏觀缺陷和非金屬夾雜物等進行檢驗。

（2）熱處理應嚴格按照熱處理規(guī)范進行操作，并進行金相、硬度、拉伸及沖擊韌性試驗等，保證熱處理質量合格。

（3）加工后的成品螺栓，應按螺栓的質量等級進行嚴格的扭轉試驗，有防腐要求的應對防腐層進行檢驗。

（4）在石化設備的采購過程中，應選擇有資質可信的生產廠家。監(jiān)理人員要嚴把質量關，除了要求生產廠家提供以上各項質量檢驗合格證書外，還要對生產過程進行監(jiān)督。